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两级驱动系统的多率非线性控制研究

两级驱动系统的多率非线性控制研究

作者：韦东方武汉科技大学

学位级别：硕士

两级驱动（DSA）控制系统作为一种新颖的机电一体化系统引起了许多学者的研究兴趣，并在很多领域已有着广泛的应用。DSA系统由一级驱动和二级驱动串联组成，研究者通过设计合适的控制算法，可以使这两个驱动的性能形成互补。因此，在工... 详细信息

两级驱动（DSA）控制系统作为一种新颖的机电一体化系统引起了许多学者的研究兴趣，并在很多领域已有着广泛的应用。DSA系统由一级驱动和二级驱动串联组成，研究者通过设计合适的控制算法，可以使这两个驱动的性能形成互补。因此，在工业应用上，DSA系统显示出其独有的先进性和优越性。DSA系统存在多种控制算法，主要有PID控制;预测控制;鲁棒控制等，这些算法各有优缺点。本文在简要介绍了DSA系统模型的基础上研究设计了两种新的控制算法，一定程度上提升了系统性能。论文主要工作有：第一章简要介绍了DSA系统的发展历史和国内外研究现状;第二章概括了线性控制系统和数字信号处理方面的基础背景知识。第三章介绍了DSA系统的物理模型，重点介绍了一级驱动中摩擦和扰动的补偿机理。第四章给出了复合非线性控制算法。首先，为一级驱动设计PTOS算法来得到一个有小超调的系统，并在二级驱动上采用复合非线性控制算法来降低由一级驱动引起的超调，然后，就系统性能提升的问题进行了详细的参数设计，最后本章利用simulink搭建了仿真平台。实验结果显示了所提方法在提升系统性能方面的优越性。第五章设计了带摩擦补偿的多采样率控制算法，旨在减少系统的计算负载，提高系统性能。多采样率控制算法通过减缓一级驱动的更新时间，可以在不降低系统整体性能的情况下减少系统总的计算负载。最后通过仿真平台测试了抽取率m和摩擦补偿器对系统整体性能的影响。第六章总结全文，并对后续工作进行了初步的展望。

关键词：两级驱动控制系统摩擦补偿器复合非线性控制多采样率控制

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多轴伺服系统的协调控制策略研究

多轴伺服系统的协调控制策略研究

作者：赵继强福州大学

学位级别：硕士

随着制造业中加工零件的复杂化以及对数控机床加工精度不断提高的现实需求,改善轨迹跟踪瞬态性能、提高轮廓控制精度的研究显得尤为重要。本文以永磁直线同步电机(PMLSM)驱动的双轴伺服系统为控制对象,分别研究了单轴伺服跟踪控制问题... 详细信息

随着制造业中加工零件的复杂化以及对数控机床加工精度不断提高的现实需求,改善轨迹跟踪瞬态性能、提高轮廓控制精度的研究显得尤为重要。本文以永磁直线同步电机(PMLSM)驱动的双轴伺服系统为控制对象,分别研究了单轴伺服跟踪控制问题以及双轴间的协调控制问题,以减小系统的轮廓误差,实现双轴伺服系统对各种类型轮廓轨迹的有效跟踪。本文首先介绍了国内外关于多轴伺服系统的发展动态,分析了相关控制策略。根据PMLSM的工作原理和动态方程建立双轴伺服系统的数学模型。随后,针对由相互垂直的两台永磁直线同步电机直接驱动的XY双轴伺服系统进行平面轨迹运动的研究。其次,设计永磁直线同步电机单轴跟踪控制策略。在单轴定点跟踪任务中,为满足系统的快调节时间、高精度定位和强鲁棒性能的要求,采用了近似时间最优控制策略,系统在跟踪误差较大的部分采用时间最优控制,进入小误差段后,采用比例-微分控制,在保证快速性的前提下,增强了系统的鲁棒性能,保证了控制策略在实际系统中能有效应用。在单轴轨迹跟踪任务中,采用了改进型复合非线性控制策略,该控制策略引入参考信号发生器,并构造一个扩展状态观测器(ESO)来估计未知扰动和不可测量的状态变量,将参考信号发生器与基于ESO的复合非线性控制相结合,为一般的轨迹跟踪控制提供了一种解决方案。为解决多轴系统的轴间协调控制问题,论文分析了现有的多轴协调控制算法的优缺点,选择采用变增益交叉耦合控制策略。该控制策略利用单轴的跟踪误差,通过一定的数学变换,得到对应的轮廓误差,进而通过轮廓误差补偿器以及补偿增益的运算,得到单轴的修正信号,然后将该信号加到单轴的控制信号输入端,参与单轴的位置控制。这种交叉耦合控制可减小由于双轴电机不匹配而引起的轮廓误差。利用MATLAB/Simulink进行了仿真,并对仿真结果进行详细分析。最后,通过一部高精度X-Y直线电机龙门平台、Copley伺服驱动模块、mega-fabs伺服驱动模块和28335 DSC开发板构建了实验平台,对所研究的单轴、双轴控制策略进行标准条件下的轮廓轨迹跟踪控制实验,验证了其有效性。

关键词：双轴伺服系统永磁直线同步电机近似时间最优控制复合非线性控制交叉耦合控制

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基于扩展观测器的精确伺服控制系统

基于扩展观测器的精确伺服控制系统

作者：陈怡福州大学

学位级别：硕士

交流伺服驱动技术在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用,例如数控机床,工业机器人等。在实际的控制系统中,由于存在着各种扰动因素,如摩擦转矩、参数摄动、负载变化、建模误差、量测噪声等,这些扰动因素必然会对伺服系统的性能造成影... 详细信息

交流伺服驱动技术在工业生产和日常生活中得到了广泛的应用,例如数控机床,工业机器人等。在实际的控制系统中,由于存在着各种扰动因素,如摩擦转矩、参数摄动、负载变化、建模误差、量测噪声等,这些扰动因素必然会对伺服系统的性能造成影响,因此研究一种带扰动补偿机制的复合非线性控制技术具有十分重要的现实意义。本文首先针对典型的由积分环节和惯性环节串联而成的二阶伺服系统,提出了一种带扰动补偿的离散时间域的鲁棒复合非线性控制(RCNC)方案,以实现伺服系统的精确位置控制。即把负载转矩、摩擦转矩、参数摄动等因素归为一个综合扰动并把它作为附加的状态变量增广到系统的模型中,据此设计扩展状态观测器来加以估计,并用于改善伺服系统的精度;采用基于扰动前馈补偿的线性伺服控制律实现快速和准确的跟踪控制,并加入非线性反馈措施来进行系统的动态阻尼控制,改善系统的瞬态性能。考虑到实际系统中的扰动因素多为时变扰动。因此为了更精确的估计出此类扰动,设计了一种三阶降维状态观测器对扰动进行更为有效的补偿,即在扰动估计与补偿机制的设计中,将短时间内的扰动变化率不再限定为零值d= 0),而是用更为精确的函数d = 0)来描述,以达到更好、更精确的控制效果。其次,利用常用的表面式永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型,构造位置伺服系统的状态空间表达式,设计了带有更为精确的扰动补偿的离散时间域下的复合非线性控制方案(把位置环和速度环看成一个机械子系统,合为一环)。采用id=0的永磁同步电机矢量控制策略,并给出了位置伺服系统两环(位置外环和电流内环)的控制结构示意图。接着在MATLAB/Simulink上搭建了系统模型进行RCNC位置控制的仿真实验,研究和分析了在不同定位目标、不同扰动因素以及参数摄动情况下RCNC的控制性能。仿真结果验证了该方案有较好的瞬态性能和稳态精度,对扰动有较好的抑制能力,同时对参数摄动有较好的鲁棒性。在此基础上,搭建辨识模块,采用递推最小二乘法对系统参数进行辨识研究并得到了仿真结果的验证。接着进行了相应的辨识实验,辨识出了系统参数。最后,在软件CCS3.3上编写了相应的控制算法,通过以TI的TMS320F28335DSP芯片作为处理器的实验控制平台,在永磁同步电机上进行了实验。通过RCNC控制器与不同的控制器进行比较,分析了 RCNC控制器的优越性。接下来基于系统参数辨识的RCNC控制器在不同负载、不同位置目标下实验的结果进一步验证了系统参数辨识实验的有效性以及基于系统参数辨识的RCNC控制器设计的可行性与合理性。实验结果表明了离散时间域下的鲁棒复合非线性控制器(RCNC)能够准确、快速地跟踪给定目标位置,达到了良好的控制效果。

关键词：伺服系统复合非线性控制状态观测器扰动补偿在线辨识

模型预测复合非线性伺服控制技术的研究与应用

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模型预测复合非线性伺服控制技术的研究与应用

作者：张玉彬福州大学

学位级别：硕士

伺服控制技术在工业制造和日常的生活当中有着非常广泛的应用,如数控机床、工业自动化、机器人等领域。随着微型处理器和电力电子技术的快速发展,高性能单片机以及DSP等芯片的出现,促进了数字化控制伺服系统的快速发展。同时,矢量控制... 详细信息

伺服控制技术在工业制造和日常的生活当中有着非常广泛的应用,如数控机床、工业自动化、机器人等领域。随着微型处理器和电力电子技术的快速发展,高性能单片机以及DSP等芯片的出现,促进了数字化控制伺服系统的快速发展。同时,矢量控制技术和直接转矩控制技术的提出与发展,使得交流电机的控制更加简单,为交流电机伺服控制技术的发展奠定了坚实的基础。伺服控制系统正向着高性能、高精度发展,因此研究先进伺服控制技术具有十分重要的意义。本文首先针对典型的二阶伺服系统,提出一种带扰动补偿的复合非线性控制(RCNC)方案,以实现伺服系统的精确跟踪控制。该方案包含用于实现快速响应的线性控制部分,用于抑制超调量的非线性反馈部分和用于消除稳态误差的扰动补偿机制,并使用扩展状态观测器来估计系统的不可测量状态变量和未知扰动。将算法应用到无刷直流电机速度控制系统,在MATLAB/Simulink上进行仿真并在TMS320F28335DSP进行实验研究,结果表明,该方案能够实现对目标转速的快速、平滑和准确的跟踪并且对扰动和参数变化具有良好的鲁棒性。其次,根据永磁同步直线电机在dq坐标系下的数学模型,构造位置伺服系统的状态空间模型,将复合非线性控制引入离散时域设计并应用到直线电机位置伺服系统。接着在MATLAB/Simulink上搭建了系统仿真模型,采用RCNC进行位置控制的仿真实验,研究在不同目标位置、不同扰动因素以及参数摄动情况下RCNC的控制性能。仿真结果表明该方案有较好的瞬态性能和稳态精度,对扰动有较好的抑制能力,同时对参数摄动有较好的鲁棒性。在此基础上,研究了模型预测控制与复合非线性控制相结合的策略,提出了利用模型预测控制进行初始阶段的跟踪控制、当系统状态进入目标邻域后改用复合非线性控制进行平稳控制的双模控制方案,并应用于直线电机位置伺服控制,在MATLAB/Simulink中进行了仿真分析,结果表明该控制方案在大范围的目标位置下具有良好的跟踪性能。最后,以TMS320F28335DSP芯片为核心,配合电机驱动模块及外围硬件电路,搭建永磁同步直线电机的伺服控制实验平台。对伺服控制系统进行软件和硬件设计,采用离散时间复合非线性控制方案,实现对直线电机位置的控制。在CCS软件系统上编写了相应的控制算法,并在不同位置目标下验证了复合非线性控制器的有效性。实验结果表明离散时域下的鲁棒复合非线性控制器(RCNC)能够准确、快速地跟踪给定目标位置,具有良好的控制效果。

关键词：伺服系统复合非线性控制模型预测控制位置跟踪

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抗扰动复合非线性伺服控制器的设计与应用

电机与控制应用 2018年第1期45卷 12-17,40页

作者：黄新新程国扬福州大学电气工程与自动化学院福建福州350116

针对典型的电机伺服系统,提出了一种鲁棒复合非线性伺服控制器的离散域设计方案。把系统的扰动和不确定性归结为一个斜坡信号(其变化率恒定),设计一个降维线性扩展状态观测器,对系统未测量状态和未知扰动加以估计。把设计的控制律应用... 详细信息

针对典型的电机伺服系统,提出了一种鲁棒复合非线性伺服控制器的离散域设计方案。把系统的扰动和不确定性归结为一个斜坡信号(其变化率恒定),设计一个降维线性扩展状态观测器,对系统未测量状态和未知扰动加以估计。把设计的控制律应用于永磁同步伺服电机,先在MATLAB上进行仿真分析,随后基于TMS320F28335DSC进行试验测试。结果表明系统在各种类型扰动作用下,对目标位置都能实现快速、平稳和准确的跟踪,具有较好的鲁棒性。

关键词：伺服电机观测器时变扰动复合非线性控制离散域设计

基于自适应摩擦补偿的复合非线性轨迹跟踪控制

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电机与控制应用 2021年第9期48卷 14-20页

作者：石暕程国扬福州大学电气工程与自动化学院福建福州350108

伺服系统中存在的非线性摩擦环节,往往会使系统的性能受到影响。针对电机伺服系统,设计了一个复合非线性轨迹跟踪控制器,并通过降阶扩展状态观测器对未测量的速度和未知扰动进行估计。为了消除摩擦力带来的不良影响,在轨迹跟踪控制的基... 详细信息

伺服系统中存在的非线性摩擦环节,往往会使系统的性能受到影响。针对电机伺服系统,设计了一个复合非线性轨迹跟踪控制器,并通过降阶扩展状态观测器对未测量的速度和未知扰动进行估计。为了消除摩擦力带来的不良影响,在轨迹跟踪控制的基础上,加入了自适应摩擦补偿环节。先通过MATLAB进行了仿真分析,后将该方案应用于直流电机伺服系统进行试验验证。仿真与试验结果表明,该自适应补偿方案能有效抑制摩擦产生的不利影响,实现被控系统对目标轨迹快速准确的跟踪。

关键词：伺服系统轨迹跟踪复合非线性控制摩擦补偿自适应